浅议一种数据中心机房通风换气系统的设计

王文新 杨瑞仙 丁善磊

1.濮阳市科学技术情报研究所 河南 濮阳 457000

2.郑州大学信息管理学院 河南 郑州 450001

3.濮阳市电子计算机技术开发中心 河南 濮阳 457000

进入新世纪以来，随着社会信息化、数字化的深入发展，数据中心机房数量激增。机房里存放的服务器、存储设备、网络设备、监控设备等设备都是不间断运行的，为了保证这些设备的正常运转，保持这些设备所需要的温湿度，建设通风换气系统就成为数据中心机房建设的重要内容之一。

1 引言

电力自19世纪70年代出现以来，逐渐成为可供人类直接应用的重要能源之一，人类社会的发展和进步离开电的广泛运用，特别是进互联网时代，电脑、服务器、网络设备只有通过电力才能进行工作。当前发电的主要方法有燃烧可燃烧物(煤、生物质等)、太阳能，以及大容量风力发电、核能发电、氢能发电、水利发电等。党的十八大以来，“绿水青山就是金山银山”的绿色发展理念深入人心，全社会倡导绿色、低碳、循环、可持续的生产生活方式，履行节能减排义务逐渐成为人们的自觉行动，建设天蓝、地绿、水清的美丽中国，共建舒适美丽的绿色家园是我们共同的愿望。践行新发展理念，实现绿色发展，一方面需要大力开发绿色能源技术，另一方面则需要采用“节”尽所“能”技术。当今世界是信息化时代，支撑信息化社会的其实就是互联网，组成互联网的是一个个一年365天24小时持续工作的数量庞大的服务器、存储及网络设备，依靠众多的数据中心机房提供信息服务。然而，数据中心建设良莠不齐。在机房建设中尤其要考虑的是能源消耗问题，电力成本是必须面对加以考虑的重要问题之一。本文通过对应用于本单位数据中心机房的全新通风换气系统设计建设，为现代化机房节能降耗提供一种全新设计方案。

2 通风换气系统的物理环境

2.1 设计背景 一直以来，机房都是通过空调来控制数据中心的温度和湿度。国家制冷与空调工程协会的“数据处理环境热准则”中建议：大数据机房温度范围为20-25℃(68-75℉)，湿度范围为40-55%，适宜数据中心环境的最大露点温度是17℃。数据中心电源会对室内空气加热，如果热量无法被排放出去，就会引起环境温度上升，进而导致电子设备失灵。通过控制空气温度，服务器组件能够保持设备制造商规定的温度/湿度范围。空调系统通过冷却室内空气下降到露点，帮助控制湿度；如果湿度太大，水可能在内部部件上开始凝结。在干燥的环境中，辅助加湿系统可以添加水蒸气，如果湿度太低，就有可能导致静电放电，从而会损坏元器件，防止静电也是保护电子设备安全的重要问题之一。

2.2 设计目标 保证机房设备正常运转需要，同时必须考虑通风换气系统电力消耗问题。

2.3 节能降耗 机房的温度、湿度以及防静电措施都有严格的要求。机房通常采用活动地板下送风，电源机房采用上送风的方式精确控制机房空间的温度及湿度。机组制冷功率完全能满足机房设备制冷功率要求并有较大冗余，为网络系统提供最佳运行条件。尽管空调技术不断发展，如采用变频技术来降低电能损耗，但机房空调长年累月不间断运行，耗电量仍相当大，成为机房运行成本居高不下的一个重要原因。

2.4 物理环境 在本地，我们注意到农民或农业公司蔬菜大棚也需要进行大棚内的温湿度控制与调节，虽然他们不像机房那样对温湿度的要求高，但他们采用的温湿度调节做法对于机房温湿度调节系统却有借鉴意义。例如：一种日光温室除湿与通风换气系统。该系统主要包括除湿系统、通风换气系统以及控制单元。除湿系统由室内进风口、空气过滤器、电动调节风阀、变频轴流风机、蒸发器、膨胀阀、贮液器、冷凝器、油分离器、压缩机、电加热器、室内出风口、保温风管以及若干铜管组成；通风换气系统由室内进风口、空气过滤器、电动调节风阀、变频轴流风机、保温风管、室内出风口、室外进风口以及室外排风口组成；控制单元能够根据日光温室内温湿度需求控制除湿系统和通风换气系统中电动调节风阀、变频轴流风机、电加热器和压缩机运行工况的启停与开关切换。这对机房建设的通风换气系统运行具有很好的借鉴意义。

3 通风换气系统

3.1 设计思路 针对蔬菜大棚温湿度调节系统的优点和缺点，我们设计出了一种应用于数据机房的通风换气系统。首先，在不同季节，特别是冬季利用室内外换气来降温，春秋季尽可能少开空调，以达到节能的目的；其次，若室外湿度过大而室外温度过高的情况下，关闭风机，开启空调降温；再次，所有告警信息完整，告警信息类型及发生时间，并且当告警消除后能够将告警信息记录下来，同时记录告警发生和消除的时间，通过历史告警实现追踪；能够自动更换防尘过虑网，过虑网过脏时系统可自动更换干净的过虑网，一般情况下，一年只需更换一次过虑网即可。

3.2 系统的原理

3.2.1 设计理念 机房温度的升高主要是因电气设备的长期运行自然发热所致，并非外部环境温度。如果常年均用空调来保持机房温度(一般是降温)，那么春、秋、冬三季室外低温便可散热降温的有利条件被忽视，必然导致电能的浪费，电能成本突出。机房通风换气系统畅通机房内外的空气流通，充分利用机房内外的温差形成热交换，将机房内的热量向外传导，以实现室内散热，如此一来，不仅可以大幅度降低电能消耗和营运成本，而且可以减少空调使用，进而延长空调使用寿命。

3.2.2 系统构架 本文讨论的机房通风换气系统，更具体的说是一种应用于大数据机房的通风换气系统，包括滑轨、驱动丝杆、推动机构、滑动支架、升降机构、支撑框Ⅱ、通风架、动力机构、通风机构和船型板。该系统可以通过对一天中机房温度变化的大数据分析，调整动力机构启动数量，推动机构依次升降机构上设置的多个伸缩机构，并依据其伸缩端的长度不同，调整升降机构上设置的多个船型板升降高度，再根据船型板升降不同的高度，推动不同数量的动力机构启动，通过大数据预订一天中不同时段所需启动通风机构的数量。

3.2.3 系统组成及运行机理 本通风换气系统包括滑轨、驱动丝杆、推动机构、滑动支架、升降机构、支撑框Ⅱ、通风架、动力机构、通风机构和船型板。转动的滑轨连接驱动丝杆，推动机构滑动连接再驱动滑轨；推动机构通过螺纹连接在驱动丝杆上。设置两个滑动支架，两个滑动支架分别固定连接在滑轨两端，两个滑动支架之间滑动再连接升降机构；滑轨中部固定连接支撑框Ⅱ，通风架、动力机构和通风机构构成一个通风系统。通风系统设置有多个，通风架连接在支撑框Ⅱ的上端，通风架内设置有动力机构和通风机构，船型板固定连接在其中一个滑动支架上，驱动丝杆转动驱动机构在滑轨上滑动，驱动机构依次推动升降机构上设置的多个伸缩机构，多个伸缩机构依据伸缩端不同长度，反馈推动升降机构在滑动支架上进行竖直滑动，船型板升降不同的高度推动不同数量的动力机构启动。

4 系统工作流程

图 机房通风换气系统设计示意图

4.1 传动系统 通过大数据分析一天中机房温度的变化，温度较高时需要使用较多的通风机构提高冷却效果，当温度较低时需要使用较少的通风机构节约能源，调整升降滑动板上设置的多个伸缩机构伸缩端的长度，使得伸缩机构伸缩端的长度分别不同的档位，启动滑轨上固定连接的驱动电机，驱动电机的输出轴带动驱动丝杆以自身轴线为中心进行转动，驱动丝杆通过螺纹带动推动支架Ⅰ在滑轨内进行滑动。

4.2 支撑系统 推动支架Ⅰ带动推动支架Ⅱ进行滑动，推动支架Ⅱ带动调整电机和推动凸轮进行运动，推动凸轮的两侧均设置有一定的锥度，两个升降滑动板上均固定连接有多个伸缩机构，每个升降滑动板上的多个伸缩机构之间的间距相同，其中一个升降滑动板位于水平腰孔的一端时，另一个升降滑动板位于竖直腰孔的下端，推动凸轮依次推动位于中部的多个伸缩机构进行升降，多个伸缩机构的伸缩端的长度依次根据一天中的不同时段进行设置，当需要启动通风机构的数量较多时，位于这个时段位置的伸缩机构的伸缩端较长，当需要启动通风机构的数量较少时，位于这个时段位置的伸缩机构的伸缩端较端短。

4.3 送风系统 驱动电机带动推动凸轮在滑轨滑动一次的时间为一天，推动凸轮推动对应时段的伸缩机构向上进行运动，伸缩机构可以是液压缸或者电动推杆等，伸缩机构伸缩端的长度不同，伸缩机构被推动上升的高度也不同，对应时段的伸缩机构在竖直腰孔内进行滑动，推动弹簧推动板向上进行运动，弹簧推动板带动船型板向上进行运动，船型板升降不同的高度推动不同数量的滑动杆向靠近支撑板Ⅰ侧进行滑动。

4.4 通风系统 滑动杆带动弹簧挡板向靠近支撑板Ⅰ侧进行滑动，弹簧挡板挤压动力电机开关，对应的动力电机启动，滑动杆通过连杆推动滑动摩擦轮在连接键上进行滑动，滑动摩擦轮和摩擦轮进入摩擦传动，摩擦轮被对应的动力电机带动进行转动，摩擦轮带动对应的通风风扇进行转动，对机房进行通风。

4.5 驱动系统 当驱动丝杆驱动推动机构在滑轨滑动一次时，对应的一天的时间，当一天的时间过去时，推动凸轮不再推动任何伸缩机构，升降滑动板在弹簧推动板的作用下落回水平滑槽内，并使得水平滑动板插入升降滑动板内，推动水平滑动板进行滑动，使得原先位于中部的升降滑动板向水平滑槽的一端进行滑动，原先位于另一端的升降滑动板滑动至水平腰孔的中部位于竖直腰孔的下方，两个升降滑动板上设置的多个伸缩机构的伸缩端的长度相反设置，装置再次运行时，方向转动驱动电机，驱动电机推动推动机构在滑轨进行运动，在依次推动多个伸缩机构的伸缩端，重复工作，完成多天的重复工作；推动凸轮的宽度和每两个伸缩机构伸缩端的距离相等，保证在通风机构工作时，不会出现断档的情况。

5 结论

本文讨论了在数据中心机房建设过程中，一种应用于数据机房的通风换气系统的设计与实现，它借鉴了农民蔬菜大棚温湿度控制调节系统，通过大数据分析一天中机房温度的变化，温度较高时需要使用较多的通风机构，提高冷却效果，当温度较低时使用较少的通风机构，从而达到节约能源的目的。